嫦娥5号はなぜサンプルの帰還に「リレー」方式を採用しているのでしょうか？

2021年12月までに、我が国の月探査プロジェクトである嫦娥5号サンプルリターンミッションは1年間にわたって成功裏に実施されることになります。

嫦娥5号探査機は、周回機、着陸機、上昇機、帰還機で構成されている。このチームはリレーチームのようなもので、「リレー」方式で月のサンプルを地球に送り返します。

嫦娥5号探査機の模式図

では、メンバーの 1 人を派遣して「宝探し」ミッションを単独で完了させてみてはいかがでしょうか?

これは、サンプル返却作業が複雑であり、1 人のメンバーだけでは完了できないためです。チームメンバーは明確な役割分担があり、それぞれが独自のタスクを持っています。

オービター

オービターは「そこに飛ぶ」、つまり、キャリアロケットから分離した後、着陸機、上昇機、帰還機を月周回軌道に送り込む役割を担っています。サンプル採取ミッションを完了した後、リターナーを地球付近に送り返す予定です。

ランダー

着陸機は「降下」、つまり月周回軌道に到達し、周回機・帰還機の組み合わせ（「周回機・帰還機の組み合わせ」と呼ばれる）から分離した後、上昇機を月面への軟着陸まで運び、上昇機とともに月面のサンプル採取を完了する役割を担っています。

アセンダー

アセンダは「上昇」の役割を担っており、つまり、サンプル採取ミッションを完了した後、月面から月サンプルを積んで離陸し、月周回軌道を飛行するオービタ・リターナの組み合わせとランデブー・ドッキングし、月サンプルをリターナに渡す。

復帰者

リターナーは「着陸」を担当します。つまり、オービターとリターナーの組み合わせが地球の近くに戻ると、オービターから分離して大気圏に再突入し、月のサンプルを地球に送り返します。

まず第一に、オービターはスペースシャトルとして機能し、地球と月の間で物体を輸送します。地球と月の間の距離が長いため、宇宙船は飛行中に何度も軌道を変える必要があります。月の近くに到着すると、月に捕らえられるためにブレーキをかけて減速する必要もあります。月のサンプルを「採取」した後、探査機は加速して月の重力から逃れ、地球へ帰還する。これらのタスクを完了するには、オービターのエンジンと制御システムが必要です。リターナーにはエンジンがなく、輸送にオービターに依存していないため、地球と月の間の往復ミッションを完了することはできない。

第二に、月には大気がないため、月周回軌道から月面に着陸するには、エンジンの逆推力を利用して制動力を発生させ、着陸機の速度を落として軟着陸を達成するしかありません。帰還機にはエンジンがないので軟着陸はできません。オービターにはエンジンが搭載されているものの、オービターとリターナーを合わせると約4.5トンと質量が大きく、月面への着陸と月からの離陸には大量の推進剤が必要であり、オービターにはリターナーを地球に送り返す役割も担っている。したがって、月周回軌道に到達した後、周回機・帰還機アセンブリは燃料を消費することなく月の周りを飛行し、着陸機と上昇機（「着陸・上昇アセンブリ」と呼ばれる）は月面に着陸してサンプル採取ミッションを完了します。

月面着陸装置の概略図

3つ目は、サンプル採取ミッションを完了した後、月面から離陸する必要があることです。着陸機の重量は約3トンあり、月面からの離陸には大量の推進剤が必要となる。離陸重量と燃料消費量を削減するためには、月面でのミッションを終えた着陸機を、上昇機の離陸プラットフォームとして残す必要がある。重さ約0.8トンのアセンダは月面から離陸し、月周回軌道上に残っているオービタとリターナの組み合わせとのランデブーとドッキングを通じて月のサンプルをリターナに渡す予定だ。

月面から飛び去るアセンダの模式図

上昇および戻りアセンブリ

月周回軌道上でのランデブーとドッキングの模式図

最後に、月のサンプルを地球に送り返すには、大気圏に再突入する必要があります。リターナーは非常に高速で飛行するため、大気との摩擦によって大量の熱が発生します。外観設計や材質選択において耐熱対策を講じなければ、帰還体は再突入時に燃え尽きてしまいます。熱保護設計を備えたリターナーだけが安全に大気圏に再突入することができます。同時に、質量が小さい（約0.3トン）ため、パラシュートで減速し、スムーズに地上に着陸することができます。熱保護用に設計されていないオービターとアセンダーは、大気圏に再突入することができません。

リターナーは月のサンプルを持って地上に戻る

嫦娥5号の月面サンプル採取チームによる23日間の活動の後、月のサンプルを持って地上に戻ったのは帰還者のみだった。ミッションを完了した着陸船は月面に留まった。アセンダが月面サンプルを渡し、オービタ・リターナの組み合わせから分離した後、地上のコマンドに従って軌道を離れるように制御され、月面の所定の着陸地点に着陸しました。そして地球と月の間の往復輸送ミッションを完了した後、探査機には新たなミッションが与えられました。最初に太陽地球ラグランジュL1点を探査し、その後太陽地球ラグランジュL1点から月に戻りました。月面サンプル採取から1周年を迎えた時点でも、探査機は依然として月周回軌道上で稼働していた。

出典/「宇宙探査」2022年第1号

文/張鉄軍

編集者/ヤン・シーシュアン

レビュー/ヤン・ジエ

プロデューサー/徐春美

中国航空宇宙科学の普及